Signalintegrität Praxis-Seminar „Die Leiterplatte 2010“
Werbung
Praxis-Seminar „Die Leiterplatte 2010“ Signalintegrität Würzburg, 18. März 2010 Hermann Reischer, Polar Instruments GmbH Signalintegrität: • immer höhere Übertragungsfrequenzen (kurze Pulsanstiegszeiten) • • • • • Integrität der Stromversorgung Leitungsimpedanz Leitungsdämpfung Laufzeit Übersprechen Die ideale, verlustlose Übertragungsleitung L´ L´ C´ L′ Z0 = C′ L´ C´ L´ = Induktivitätsbelag in H/m C´ = Kapazitätsbelag in F/m C´ Ladungsverlauf auf einer Leitung: U Zo = I δQ I= δt δQ = δCV Ausbreitungsgeschwindigkeit Medium εr Ausbreitungsgeschw. Luft 1.0 30 cm/ns PTFE-Teflon 2.2 20 cm/ns SiO2-MCM-D 3.9 15 cm/ns Polyimid/Glas 4.1 14.8 cm/ns FR-4 4.1 14.8 cm/ns εr = Dielektrizitäts- AlO-MCM-C 9.0 10 cm/ns konstante v= c εr C = Lichtgeschw. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Signals wird ausschließlich durch die Dielektrizitätskonstante des Ausbreitungsmediums bestimmt! C = 2.99792 ⋅108 m / s Schaltzeiten/Kritische Länge Tr l= 2Tpd Logikfamilie Schaltzeit Tr Krit. Länge l S-TTL 5.0 ns 36 cm 10KECL 2.5 ns 18 cm AS-TTL 1.9 ns 14 cm Tr = Schaltzeit F-TTL 1.2 ns 9 cm Tpd = propagation delay/inch BiCMOS 0.7 ns 5 cm 10KHECL 0.7 ns 5 cm 100KECL 0.5 ns 3.5 cm GaAs 0.3 ns 2 cm Laufzeitbetrachtungen konventionell 30cm = 2ns Laufzeit 0.3ns Schaltzeit High Speed Reflexion High Speed Impedanzänderung Forderung ⇒ Impedanzanpassung Übertragungsleitung = 50 Ohm Quelle = 50 Ohm Leiterplatte Abschluss = 50 Ohm Impedanzkontrollierte Strukturen Koax-Kabel Stripline Single Ended Impedanz L L Z0 = C L C Single Ended Differentielle Impedanz L L C L C L C Differentielle Strukturen koplanar/differential koplanar Impedanzberechnung mit 2D Field Solver • • • • • Stand der Technik (Fehler ~ 1-2%) Komplexe mathematische Modellierung Exakte Berechnung der Feldverteilung Berücksichtigt Leiterbahnprofil Keine Einschränkung der Geometrie Leiterbahnprofil - Feldverlauf Finite Elemente Methode Leiterbahn Finites Element Bezugspotential Field Solver Realitätsnahe Modellierung Impedanz über Leiterbreite Impedanz über Lagenabstand Die verlustbehaftete Übertragungsleitung: L´ R´ L´ G´ C´ R ′ + j ωL ′ Z0 = G ′ + j ωC ′ R´ L´ G´ R´ C´ R´= Widerstandsbelag in Ohm/m C´= Kapazitätsbelag in F/m L´= Induktivitätsbelag in H/m G´= Ableitungsbelag in S/m ω = Winkelfrequenz G´ C´ Ohmscher Leiterbahnwiderstand Polar TRC100 – Track Resistance Calculator Frequenzabhängigkeit des Er und TanD Skineffekt Magnetfelder innerhalb eines Leiters führen zu einer Stromverdrängung an die Leiterbahnoberfläche und damit zu einer Verringerung des Nutzbaren Leiterbahnquerschnitts -> Erhöhung des Widerstandes Oberflächenrauheit Elektrische Wegstrecke verlängert sich ! Si9000e Via Stub Check Der Signal-Rückstrompfad Vcc Spannung GND Strom Der Rückstrompfad baut sich gleichzeitig mit dem Fortschritt der steigenden Signalflanke auf. Vcc Spannung Strom Achtung - der Rückstrom kann auch z.B. in einer Vcc-Lage fließen! GND Der Signal-Rückstrompfad Der Signal-Rückstrompfad konzentriert sich in dem Bereich direkt über/unter dem Signalleiterverlauf Steigt die Frequenz weiter an, reduziert sich die Eindringtiefe des Strompfades aufgrund des Skineffektes. Der Signal-Strompfad an einem Via Signal-Strompfad Rückstrompfad Referenzlage Der Rückstrompfad verläuft an der dem Signalleiter zugekehrten Oberfläche der Referenzlage Signal-Strompfad Rückstrompfad Referenzlage Referenzlage Wenn möglich, neben dem Signal-Via auch Via´s für den Rückstrompfad setzen ! Übersprechen Aggressor-Leitung Opfer-Leitung Aggressor-Leitung Opfer-Leitung Zur Reduktion des Übersprechens ausreichenden Abstand zur störenden Leitung einhalten (mindestens 5x Leiterbreite) Nah- und Fernübersprechen Nahübersprechen 1C L Next (K b ) = m + m L 4 C Fernübersprechen Kf = 1 Cm Lm − V C L Berechnung Übersprechen 4 Port S-Parameter Smith-Diagramm
